[发明专利]一种基于蒙特卡洛仿真的小卫星及其星座可用度评估方法

说明书

一种基于蒙特卡洛仿真的小卫星及星座可用度评估方法，包括步骤如下：一、通过FMEA分析，获取Ⅰ、Ⅱ类严酷度为Ⅰ、Ⅱ类故障清单；按照故障是否可修对清单中的故障进行划分；二、对于可修故障，利用泊松过程对故障规律进行建模，利用在轨数据计算可修复故障失效率，确定泊松过程参数；对于不可修故障，利用维纳过程对故障规律进行建模，利用地面试验数据或在轨失效数据确定维纳过程参数；三、确定小卫星故障判据及星座故障判据，开展小卫星及其星座可用性仿真；六、通过仿真结果，计算小卫星在轨正常工作时长与寿命之比，计算小卫星及其星座在轨可用度。本发明在保证小卫星可用度评估结果准确性的同时能够有效减小可用度评估的复杂度。

技术领域

本发明涉及一种小卫星及星座可用度评估方法。

背景技术

小卫星可用度仿真，依据小卫星设备故障模型，对小卫星的在轨故障发生及修复过程进行模拟，用以对小卫星及星座在轨运行状态的模拟及验证。

当前，国内外关于卫星及星座的可用度研究，采用的方法是首先对卫星状态进行定义，利用马尔可夫模型对其卫星及星座状态转移方式进行建模，将马尔可夫模型状态转移矩阵中的状态转移概率设为指数分布，进而通过求解各可用状态的概率值之和求出卫星可用度。但是，该方法存在以下问题：

(1)在考虑小卫星设备寿命模型时只考虑了故障服从指数分布的情况，这种情况适用于电子设备，但是，组成卫星的设备种类并非只有电子设备，还包括机械设备及机电设备，指数分布寿命模型不能描述其故障规律。因此，用马尔可夫链对其进行建模时，马尔可夫过程不满足时齐性且状态转移矩阵无法用常数来描述，用该方法对整星及其星座可用度进行计算时，其结果不准确；

(2)其次，卫星设备故障不是由单一原因造成的，单个卫星设备具有多重故障模式，若用状态转移矩阵描述其之间变换关系，会造成状态爆炸问题，导致无法计算，进而无法评估可用性；

(3)卫星具有高可靠，长寿命特点，如果用指数分布模型刻画卫星故障规律，没有足量的数据支持确定其参数，因此，基于此故障模型的可用度评估结果不准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有卫星可用度计算中，马尔可夫方法无法准确地对卫星可用度进行准确评估的问题，本发明提供了一种基于蒙特卡洛仿真的小卫星及其星座可用度评估方法，克服利用马尔可夫方法对小卫星可用度进行计算时故障规律无法准确描述且建模复杂度过高时无法计算的缺点，解决了故障规律描述方式单一及状态建模复杂问题，有可用度建模准确方便且评估结果可信的优点。

本发明所采用的技术方案是：一种基于蒙特卡洛仿真的小卫星及其星座可用度评估方法，包括步骤如下：

(1)对卫星进行FMEA分析，得到影响卫星任务成败的Ⅰ、Ⅱ类故障清单，判断Ⅰ、Ⅱ类故障清单中的故障是否为可修复故障；

(2)如果为可修复故障，利用泊松过程建立可修复故障模型，根据小卫星设备在轨故障率信息及可靠性预计值，对平均故障间隔时间进行统计，确定小卫星设备泊松过程的强度参数值λ；

如果为不可修复故障，使用退化过程描述不可修复故障模型，根据小卫星设备的在轨参数退化数据或寿命试验数据，确定小卫星设备维纳过程参数；

(3)对于星座中每个小卫星，根据小卫星故障模式和小卫星故障模型，确定小卫星的整星仿真模型，利用进程交互法对小卫星可用度进行仿真，对于可修复故障，根据泊松过程对故障进行抽样，确定每次故障的起止时间；对于不可修复故障，根据维纳过程判断故障首达时间，并根据各小卫星设备状态判断整星是否处于不能工作的状态；计算单星在轨可用度，单星在轨可用度指整星处于正常工作状态时长与在轨寿命时长比值；

(4)判断星座所有组成卫星的工作状态，根据单星及星座故障状态判据，基于蒙特卡洛仿真方法，得到星座在轨可用度，星座在轨可用度指星座正常工作状态时长与在轨寿命时长比值。